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量子態(tài)
微觀粒子的運動狀態(tài)
電子做穩(wěn)恒的運動，具有完全確定的能量。這種穩(wěn)恒的運動狀態(tài)稱為量子態(tài)。量子態(tài)是由一組量子數(shù)表征，這組量子數(shù)的數(shù)目等于粒子的自由度數(shù)。
理論介紹
理論方法
分析方法
“原子”或“以太”；“球量子”與“環(huán)量子”概念”。薛曉舟教授介紹的情況，古希臘留基伯認為，“原子”或“以太”和“虛空”是萬物之源，這實際是個“非對易代數(shù)”類似的“量子理論”。即如果把不可分割的“原子”或“以太”看成是實數(shù)，“虛空”看成是虛數(shù)，實數(shù)與虛數(shù)存在有不可對易性。這里，“非對易”可近似理解為“非對應”。彭羅斯認為“非對應”最終含有“不可計算性。
liqichuan先生所說：“來源于我們所處的空間為三維的模式，球狀正是這樣一個空間最好的體現(xiàn)，而環(huán)狀量子卻違背了這樣一個空間的基底”。也正是如此，現(xiàn)代科學才建立了以“球量子”為精神領袖的強大而十分鞏固的“政權”。也許liqichuan（李奇?zhèn)鳎┫壬f的“復辟”，就是指會動搖以“球量子”為精神領袖的強大而十分鞏固的“科學政權”的理論研究。在近代科學中引出的負數(shù)開平方，如所謂“扭量從開根號”，就是有人說的：“-1可以開根號得到復數(shù)，而微分算子可以開根號得到旋量。復數(shù)不能比較大小。但量子力學的波函數(shù)是復數(shù)的，描述粒子具有自旋，而廣義相對論一直用世界線來描述粒子，于是相對論有一個基本的問題是，世界線體現(xiàn)出粒子的自旋，即
。”這無疑是對以“球量子”為精神領袖的強大而十分鞏固的“科學政權”不利，所以liqichuan先生才說出“把數(shù)作為宇宙的根本則是畢達哥拉斯派的復辟”的話。他的解釋是：“復數(shù)和復數(shù)方程是物理學中在處理復雜問題時所經(jīng)常用到的數(shù)學手段，但討論到具體問題時則采用實數(shù)解，因為只有實數(shù)解才與觀測符合”。這個解釋不正確，因為類似牛頓力學體系方程、麥克斯韋電磁力學體系方程、愛因斯坦相對論力學體系方程、薛定諤量子力學波動方程等絕大多數(shù)物理學方程的數(shù)學手段，都沒有解決好復雜的時間箭頭問題，所以用這種處理辦法才是可取的。例如愛因斯坦的狹義相對論，就是舍棄取虛數(shù)解的辦法而使計算具有簡單性；相反，崔珺達教授的復合時空量子理論，則把愛因斯坦狹義相對論舍棄的虛數(shù)解撿拾起來，但對時間箭頭問題并沒有解決，反而把簡單的數(shù)學手段弄復雜化了。
聽起來，這并不像是一個復雜的實驗：位于北京八達嶺長城腳下的送信者，要向站在河北省張家口市懷來縣的收信者發(fā)出一段信息。這段距離僅有16公里，在晴朗的白天，他們彼此甚至目力可及。只是，這并不是一封信、手機短信或電子郵件，而是好像“時鐘指針”一樣表示著量子運動狀態(tài)的量子態(tài)。
這已經(jīng)是量子態(tài)目前在世界上跑出的最長距離。6月1日，世界頂級科學刊物《自然》雜志的子刊《自然·光子學》以封面論文的形式，刊登了這項成果：一個量子態(tài)在八達嶺消失后，在并沒有經(jīng)過任何載體的情況下，瞬間出現(xiàn)在了16公里以外。實驗的名稱叫做自由空間量子隱形傳態(tài)，由中國科學技術大學與清華大學組成的聯(lián)合小組完成。
量子通信應用
這確實是一個難以令人理解的研究領域，面對抱著巨大好奇心的公眾，研究者不禁感到苦惱，“想要給大家都講明白實在是一件痛苦的事”。
在奇特的量子世界里，量子存在一種奇妙的“糾纏”運動狀態(tài)。中科大量子信息實驗室教授彭承志愿意將一對糾纏狀態(tài)下的光子比作有著“心電感應”的兩個粒子。再用個更貼切的比喻，糾纏光子就好像一對“心有靈犀”的骰子，甲乙兩人身處兩地，分別各拿其中一個骰子，甲隨意擲一下骰子是5 點，與此同時，乙手中的骰子會自動翻轉(zhuǎn)到5點。
事實上，乙甚至根本不需要知道也不能查看自己手中究竟握著幾點。因為在物理學上，每一次對糾纏光子的測量都會破壞原有的狀態(tài)，“就像冰淇淋，你必須嘗一口才知道它的味道。但當你嘗了一口時，冰淇淋就已經(jīng)發(fā)生改變。”一個專業(yè)人士這樣解釋。
因此，甲只需要通過電話、短信等渠道告訴乙，自己剛剛擲出了5點。乙即便不用攤開手掌，也可以知道自己手邊這個“心電感應”的骰子也成了5點。
這聽起來就像一場魔術表演。只是，甲和乙之間傳送的只是類似“轉(zhuǎn)成5點”之類的信息，而不是實物。
隱形傳輸距離
事實上，在量子態(tài)隱形傳輸經(jīng)歷的漫長旅程中，每一點距離的進步都可以被視為一座里程碑。1997年年底，位于奧地利的蔡林格研究小組首次在實驗平臺上幾米的距離內(nèi)成功地進行了這一實驗。
雖然當時的傳輸距離僅達數(shù)米，但美國《科學》雜志卻將其列為該年度全球十大科技進展。《科學》雜志的評語是：“盡管想要看到《星際旅行》中‘發(fā)送我吧’這樣的場景，我們還得等上一些年，但量子態(tài)隱形傳輸這項發(fā)現(xiàn)，預示著我們將進入由具有不可思議的能力的量子計算機發(fā)展而帶來的新時代。”
科幻電影《星際旅行》至今仍在科幻娛樂史上排名榜首。它講述了人類的夢想：宇航員在特殊裝置中平靜地說一句，“發(fā)送我吧，蘇格蘭人”，他就會瞬間轉(zhuǎn)移到外星球。在經(jīng)典游戲“暗黑破壞神”中，女巫角色的技能是“瞬間轉(zhuǎn)移”。只要施展這個魔法，女巫就會伴著一道閃光消失，并出現(xiàn)在任意一個想去的地方。
1999年，奧地利蔡林格研究小組的論文又與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論等重大研究成果一起，被英國《自然》雜志選為“百年物理學21篇經(jīng)典論文”。當時26歲的年輕人潘建偉正在奧地利維也納大學跟著蔡林格教授學習量子技術，他的名字也在小組名單中。
這次中國的實驗在技術上有了重大創(chuàng)新，光子在傳播過程中會因偏振而引起變化，聯(lián)合小組的科學家們對此進行了“正反饋”，即用簡單的光學器械控制住光子的偏振態(tài)，使這次實驗的保真度最終達到了89%。也就是說，“盡管不能正確無誤地發(fā)送每一個碼，但信息是可以傳送的”。
隨著高度增加，空氣也會變得更加稀薄。所以，地表10公里的空氣密度，基本相當于從地球到外層空間幾十公里距離的空氣密度。“20 公里的傳送距離，就表明光子可以在地表與外層空間衛(wèi)星間打一個來回。”這也就意味著量子信息可以通過衛(wèi)星在不同地區(qū)，甚至國家間傳遞。
為了用激光為量子態(tài)傳輸打出一個光鏈路，他們的實驗大多在其他人沉入夢鄉(xiāng)的夜晚進行。光鏈路是為了幫助隨后分發(fā)的光量子“探路”。那些已經(jīng)睡著了的人并不知道，這群在半夜里還擺弄著有點嚇人的綠色激光的年輕人，也正在實現(xiàn)這個世界全新的通信夢想。
量子計算機
這些站在科學領域最前沿的中國物理學家明白，進行量子通信研究，除了能夠?qū)崿F(xiàn)隱形傳態(tài)這種奇妙的物理現(xiàn)象以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)更重要的使命，那就是防御一種“還未出現(xiàn)的威脅”。
威脅來自尚未被成功發(fā)明的量子計算機。早在上個世紀，科學家們就已經(jīng)開始設想，用量子系統(tǒng)構成的計算機來模擬量子現(xiàn)象，從而大幅度減少運算時間。如果將未來的量子計算機比作大學教授，今天所謂超級計算機的能力甚至還比不上剛上幼兒園的小班兒童。
你可以想象這樣一個驚人的對比：現(xiàn)在對一個500位的阿拉伯數(shù)字進行因子分解，目前最快的超級計算機將耗時上百億年，而量子計算機卻只需大約幾分鐘。
“一旦哪個瘋子發(fā)明出來量子計算機，他就可以攻破所有的密碼。”蔣碩指出了這個可怕的威脅。事實上，現(xiàn)在通用的加密方式并非如想象般安全，它們都有破譯的方法，只不過由于現(xiàn)有計算機運行能力的限制，破譯一個密鑰可能要耗費上萬年，甚至上百萬年。
如果量子計算機出現(xiàn)，我們目前自以為安全的一切將不堪一擊。那將是一個超級神偷，可以偷走現(xiàn)代文明中人們賴以生存的一切——銀行存款、網(wǎng)絡信息。它也足夠沖破軍事或安全系統(tǒng)，調(diào)轉(zhuǎn)導彈的軌道，令整個國家陷入混亂與災難。因此，沒有人敢懈怠，“這并不是一項杞人憂天的研究。所有的防御必須出現(xiàn)在進攻之前。”美國科學家的預言就像一個倒計時牌，“量子計算機可能將在50年之后出現(xiàn)。”
因此，“只有采用量子信息才是安全的，必須占據(jù)先機。”這樣一切“竊聽手段”將失去原有的意義。如果一個間諜想要收集情報，他必須竊取發(fā)送途徑中的光子，經(jīng)過測量后再次傳給接收者。但因為光子對的糾纏特性，這樣的竊取就會被發(fā)現(xiàn)，“就像被嘗過的冰淇淋一樣”。
當然，眼下這只是一場看不見對手的戰(zhàn)爭。“如果沒有量子計算機這支矛，量子信息這面盾就發(fā)揮不出作用。”蔣碩說。他同時也認為，即便技術成熟，“如果量子計算機沒有出現(xiàn)，并沒必要進行大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)換代”。
然而，這篇論文發(fā)表后，蜂擁而至的報道和議論卻讓科學家們發(fā)現(xiàn)，公眾似乎誤解了自由空間量子隱形傳態(tài)的真正意義，“很多人都認為，這個實驗的成功代表著超時空穿越可能實現(xiàn)。”
顯然，能夠傳遞一組信息并不意味著已經(jīng)可以傳遞實物。“我們對世界的了解仍然不夠透徹。”一位研究者說。科學家們現(xiàn)在還不知道應該如何通過隱形傳輸?shù)姆绞絺魉蛯嵨铮拔覀冊?jīng)以為世界上最小的是原子，可是后來發(fā)現(xiàn)原來里面還有質(zhì)子和中子。然而，沒有人知道質(zhì)子和中子是否還能被繼續(xù)拆分。更何況想要傳送一個生命體，又該如何處理他復雜的腦電活動呢？”
“目前我們實現(xiàn)的僅僅是單光子量子態(tài)的隱形傳輸，在未來有可能實現(xiàn)復雜量子系統(tǒng)的量子態(tài)隱形傳輸，但距離宏觀物體的量子態(tài)隱形傳輸還具有非常遙遠的距離。”彭承志說。
也許，正是“非常遙遠的距離”帶給了人們遐想。畢竟，曾經(jīng)實驗臺上量子態(tài)只能前行幾米，而今，它已經(jīng)可以穿越16公里。將來，它還可能在星球之間傳遞。
“科技發(fā)展的速度有多快誰能知道呢？”一位參加這項研究的科學家說，“就好像打算盤時的人們永遠想不到，在不久的將來，人類發(fā)明出了每秒運行幾千億次的電子計算機。”
中國成果
存放著機密文件的保險箱被放入一個特殊裝置之后，可以突然消失，并且同一瞬間出現(xiàn)在相距遙遠的另一個特定裝置中，被人方便地取出。記者從中國科學技術大學獲悉，日前，由中國科大和清華大學組成的聯(lián)合小組在量子態(tài)隱形傳輸技術上取得的新突破，可能使這種以往只能出現(xiàn)在科幻電影中的“超時空穿越”神奇場景變?yōu)楝F(xiàn)實。據(jù)聯(lián)合小組研究成員彭承志教授介紹，作為未來量子通信網(wǎng)絡的核心要素，量子態(tài)隱形傳輸是一種全新的通信方式，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息。
“在經(jīng)典狀態(tài)下，一個個獨立的光子各自攜帶信息，通過發(fā)送和接收裝置進行信息傳遞。但是在量子狀態(tài)下，兩個糾纏的光子互為一組，互相關聯(lián)，并且可以在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間神秘出現(xiàn)。量子態(tài)隱形傳輸利用的就是量子的這種特性，我們首先把一對攜帶著信息的糾纏的光子進行拆分，將其中一個光子發(fā)送到特定位置，這時，兩地之間只需要知道其中一個光子的即時狀態(tài)，就能準確推測另外一個光子的狀態(tài)，從而實現(xiàn)類似‘超時空穿越’的通信方式。
據(jù)介紹，量子態(tài)隱形傳輸一直是學術界和公眾的關注焦點。1997年，奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子“超時空穿越”距離提高到600米。但由于光纖信道中的損耗和環(huán)境的干擾，量子態(tài)隱形傳輸?shù)木嚯x難以大幅度提高。
2004年，中國科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間實現(xiàn)更遠距離的量子通信。在自由空間，環(huán)境對光量子態(tài)的干擾效應極小，而光子一旦穿透大氣層進入外層空間，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠距離傳輸方面更具優(yōu)勢。
據(jù)悉，該小組早在2005年就在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏“拆分”、發(fā)送的世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2007年開始，中國科大——清華大學聯(lián)合研究小組在北京架設了長達16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關鍵技術突破，最終在2009年成功實現(xiàn)了世界上最遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎。
據(jù)悉，該成果已經(jīng)發(fā)表在6月1日出版的英國《自然》雜志子刊《自然光子學》上，并引起了國際學術界的廣泛關注。
參考資料
[1]
我國量子態(tài)隱形傳輸獲突破 "超時空穿越"或?qū)崿F(xiàn)[引用日期2019-07-03]
[2]
我國科學家實現(xiàn)多模量子態(tài)的長時間存儲 · 今日頭條-IT之家[引用日期2022-11-08]
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